Protactinium (verkürzt aus ursprünglich Proto-actinium (griechisch πρώτος (prõtos) = erster und Actinium); Silbentrennung Pro|tac|ti|ni|um oder Pro|t|ac|ti|ni|um) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Pa und der Ordnungszahl 91. Im Periodensystem steht es in der Gruppe der Actinoide (7. Periode, f-Block). Es ist silbrig metallisch und wird supraleitend unterhalb von 1,4 K. Es ist radioaktiv und kommt in der Natur extrem selten vor. Die größte Menge an Protactinium wird künstlich erzeugt.

Geschichte

Dmitri Mendelejew postulierte im Jahre 1871 die Existenz eines Elements zwischen Thorium und Uran.^[5][6] Die Reihe der Actinoiden-Elemente war zu der Zeit noch unbekannt. Daher wurde Uran unterhalb des Wolframs gesetzt, und Thorium unterhalb des Eka-Zirconiums (dem damals ebenfalls noch unentdeckten Element Hafnium), wobei der Platz unterhalb des Tantals freiblieb. Bis in die 1950er Jahre wurde das Periodensystem in dieser Form dargestellt.^[7] Für lange Zeit suchten Chemiker nach Eka-Tantal mit ähnlichen chemischen Eigenschaften zum Tantal.

Mendelejews Periodensystem von 1871 mit einer Lücke für Protactinium am unteren Rand, zwischen Thorium (Th = 231) und Uran (U = 240)

Im Jahre 1900 isolierte William Crookes ein stark radioaktives Material aus Uran; allerdings konnte er es nicht als neues chemisches Element charakterisieren und nannte es Uranium-X (UX).^[8][9] Crookes löste Uranylnitrat in Ether, die verbleibende wässrige Phase enthielt größtenteils die Nuklide ²³⁴Th und ²³⁴Pa.^[10]

^234mPa wurde 1913 von Kasimir Fajans und Oswald Helmuth Göhring entdeckt, sie gaben ihm wegen seiner kurzen Halbwertszeit (1,17 Minuten) den Namen Brevium (lateinisch brevis ‚kurz‘).^{[11][12][13][14]}

Das langlebige ²³¹Pa (t_½ = 32.760 Jahre) wurde 1917 von Otto Hahn und Lise Meitner gefunden (veröffentlicht 1918), sie nannten es Protoactinium (von griechisch πρῶτος = protos: das Erste, der Vorhergehende, das chemische Element, das in der Zerfallsreihe des Uran-235 vor dem Actinium steht).^[15][16] Unabhängig gelang die Entdeckung des langlebigen Isotops in England Frederick Soddy und John Arnold Cranston, wobei letzterer nicht veröffentlichen konnte, da er 1915 Soldat im Ersten Weltkrieg wurde.^[17][18][19]

Im Jahre 1921 machte Otto Hahn die weitere Entdeckung, dass es zu dem von Fajans gefundenen Brevium 234 noch ein zweites betastrahlendes Isotop mit der gleichen Massenzahl 234 gibt, das sich von dem Brevium lediglich durch seine längere Halbwertszeit von 6,7 Stunden unterscheidet; es handelt sich hierbei um den seltenen Fall einer Kernisomerie.^[20]

Protactinium wurde erstmals 1934 durch Aristid von Grosse isoliert.

Der offizielle Name für alle drei Isotope sowie alle künstlich herstellbaren Isotope mit der Ordnungszahl 91 wurde 1949 von der IUPAC zu Protactinium bestimmt, statt des schwerer auszusprechenden Protoactinium von Hahn und Meitner.

Vorkommen

Protactinium ist ein radioaktives Zerfallsprodukt des Urans und findet sich in der Natur in Form der beiden Isotope ²³¹Pa und ²³⁴Pa, wobei das Isotop ²³⁴Pa in zwei unterschiedlichen Energiezuständen auftreten kann. Protactinium ²³¹Pa, ein Alphastrahler, entsteht beim Zerfall von ²³⁵U (siehe Uran-Actinium-Reihe), das betastrahlende Protactinium ²³⁴Pa beim Zerfall von Uran ²³⁸U (siehe Uran-Radium-Reihe).

Gewinnung und Darstellung

Aristid von Grosse isolierte im Jahre 1927 aus Abfällen der Radiumherstellung 2 Milligramm Protactinium(V)-oxid (Pa₂O₅).^[21] Im Jahre 1934 isolierte er erstmals elementares Protactinium aus 0,1 Milligramm Pa₂O₅.^[22][23] Dazu wandte er zwei unterschiedliche Verfahren an: Zu einem wurde Protactiniumoxid mit 35 keV-Elektronen im Vakuum bestrahlt. Zum anderen wurde das Oxid zu den Halogeniden (Chlorid, Bromid oder Iodid) umgesetzt und diese dann im Vakuum an einem elektrisch beheizten Draht reduziert.^[24]

Später stellte er auch metallisches Protactinium aus Protactinium(V)-iodid (PaI₅) dar.^[25][26]

${\displaystyle \mathrm {2\,PaI_{5}\longrightarrow 2\,Pa+5\,I_{2}} }$

In den Jahren 1959 und 1961 wurden von der United Kingdom Atomic Energy Authority (UKAEA) 125 g Protactinium mit einer Reinheit von 99,9 % aus 60 t abgebrannter Kernbrennstäbe in einem 12-stufigen Prozess extrahiert; die Kosten betrugen etwa 500.000 US$.^[27] Für viele Jahre war dies die einzig weltweit verfügbare Quelle für Protactinium, von der jeweils verschiedene Laboratorien für wissenschaftliche Untersuchungen versorgt wurden.^[6]

Eigenschaften

Im Periodensystem steht das Protactinium mit der Ordnungszahl 91 in der Reihe der Actinoide, sein Vorgänger ist das Thorium, das nachfolgende Element ist das Uran. Sein Analogon in der Reihe der Lanthanoide ist das Praseodym.

Physikalische Eigenschaften

Protactinium ist silbrig metallisch und wird supraleitend unterhalb von 1,4 K.^[28]

Chemische Eigenschaften

Protactinium kommt hauptsächlich in zwei Oxidationsstufen vor, +4 und +5, sowohl in Festkörpern als auch in Lösung.

Verwendung

Wegen seiner Seltenheit, hohen Radioaktivität und Giftigkeit findet Protactinium außer in der Forschung keine praktische Anwendung.

In Protactinium ²³¹Pa, das beim Zerfall von Uran ²³⁵U entsteht und sich in Kernreaktoren auch durch die Reaktion ²³²Th + n → ²³¹Th + 2n und anschließenden Betazerfall bildet, kann möglicherweise eine nukleare Kettenreaktion zustande kommen, die prinzipiell auch zum Bau von Atomwaffen genutzt werden könnte. Die kritische Masse beträgt nach Angabe von Walter Seifritz 750±180 kg.^[29] Andere Autoren kommen zum Schluss, dass eine Kettenreaktion selbst bei beliebig großer Masse in Protactinium ²³¹Pa nicht möglich ist.^[30]

Protactinium ²³³Pa ist ein Zwischenprodukt im Brutprozess von Thorium ²³²Th zu Uran ²³³U in Thorium-Hochtemperaturreaktoren.

${\displaystyle \mathrm {^{232}_{\ 90}Th\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 90}^{233}Th\ {\xrightarrow[{22,3\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 91}^{233}Pa\ {\xrightarrow[{26,967\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 92}^{233}U} }$

Die Zeitangaben sind Halbwertszeiten.

Seit der Verfügbarkeit moderner, sehr sensibler Massenspektrometer ist eine Anwendung des ²³¹Pa beispielsweise als Tracer in der Paläozeanographie möglich geworden.^[31]

Verbindungen

→ Kategorie: Protactiniumverbindung

Protactinium(IV)-oxid (PaO₂) ist ein schwarzes, kristallines Pulver. Protactinium(V)-oxid (Pa₂O₅) ist ein weißes, kristallines Pulver. Beide weisen ein kubisches Kristallsystem auf.

Protactinium(V)-chlorid (PaCl₅) bildet gelbe monokline Kristalle und besitzt eine Kettenstruktur bestehend aus 7-fach koordinierten pentagonalen Bipyramiden.^[32]

Sicherheitshinweise

Einstufungen nach der GHS-Verordnung liegen nicht vor, weil diese nur die chemische Gefährlichkeit umfassen, die eine völlig untergeordnete Rolle gegenüber den auf der Radioaktivität beruhenden Gefahren spielen. Auch Letzteres gilt nur, wenn es sich um eine dafür relevante Stoffmenge handelt.

• Harold W. Kirby: The Radiochemistry of Protactinium. National Academies, 1959 (PDF)
• Boris F. Myasoedov, Harold W. Kirby, Ivan G. Tananaev: Protactinium. In: Lester R. Morss, Norman M. Edelstein, Jean Fuger (Hrsg.): The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements. Springer, Dordrecht 2006, ISBN 1-4020-3555-1, S. 161–252 (doi:10.1007/1-4020-3598-5_4).

Einzelnachweise

1. ↑ Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
2. ↑ Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Protactinium) entnommen.
3. ↑ CIAAW, Standard Atomic Weights Revised 2013.
4. ↑ Dieses Element wurde in Bezug auf seine Gefährlichkeit entweder noch nicht eingestuft oder eine verlässliche und zitierfähige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden.
5. ↑ Siegfried Niese: Die Entdeckung des Elementes 91 durch Kasimir Fajans und Oswald Göhring im Jahr 1913 und die Namensgebung durch Otto Hahn und Lise Meitner 1918 (Digitalisat).
6. ↑ ^{a b} John Emsley: Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford University Press, Oxford, England, UK 2001, ISBN 0-19-850340-7, S. 347–349, Kapitel: Protactinium (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
7. ↑ Michael Laing: A Revised Periodic Table: With the Lanthanides Repositioned. In: Foundations of Chemistry. 2005, 7 (3), S. 203 (doi:10.1007/s10698-004-5959-9).
8. ↑ William Crookes: Radio-Activity of Uranium. In: Proceedings of the Royal Society of London. 1899, 66, S. 409–423 (doi:10.1098/rspl.1899.0120).
9. ↑ A Glossary of Terms in Nuclear Science and Technology. S. 180 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
10. ↑ Sven Johansson: Decay of UX₁, UX₂, and UZ. In: Physical Review. 1954, 96 (4), S. 1075 (doi:10.1103/PhysRev.96.1075; bibcode:1954PhRv...96.1075J).
11. ↑ K. Fajans: Die Stellung der Radioelemente im periodischen System. In: Physikalische Zeitschrift. 1913, 14 (4), S. 136–142.
12. ↑ Kasimir Fajans: Radioactive Transformations and the Periodic System of The Elements. In: Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft. 1913, 46, S. 422–439.
13. ↑ K. Fajans, O. Göhring: Über die komplexe Natur des UrX. In: Die Naturwissenschaften. 1913, 1 (14), S. 339. (digizeitschriften); doi:10.1007/BF01495360; bibcode:1913NW......1..339F.
14. ↑ K. Fajans, O. Göhring: Über das Uran X₂-das neue Element der Uranreihe. In: Physikalische Zeitschrift. 1913, 14, S. 877–884.
15. ↑ Otto Hahn, Lise Meitner: Die Muttersubstanz des Actiniums, ein Neues Radioaktives Element von Langer Lebensdauer. In: Physikalische Zeitschrift. 1918, 19, S. 208–218 (doi:10.1002/bbpc.19180241107 (zurzeit nicht erreichbar)).
16. ↑ Lise Meitner, Otto Hahn: Über das Protactinium und die Frage nach der Möglichkeit seiner Herstellung als chemisches Element. In: Die Naturwissenschaften. 1919, 7 (33), S. 611–612 (doi:10.1007/BF01498184).
17. ↑ Protactinium, Jefferson Lab
18. ↑ John Albert Cranston, University of Glasgow
19. ↑ Cranston, Soddy, The parent of Actinium, Nature, Band 100, 1918, S. 498–499
20. ↑ Otto Hahn: Über eine neue radioaktive Substanz im Uran. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1921, 54 (6), S. 1131–1142 (doi:10.1002/cber.19210540602).
21. ↑ Aristid von Grosse: Das Element 91; seine Eigenschaften und seine Gewinnung. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1928, 61 (1), S. 233–245 (doi:10.1002/cber.19280610137).
22. ↑ A. V. Grosse, M. S. Agruss: The Isolation of 0,1 gram of the Oxide of Element 91 (Protactinium). In: Journal of the American Chemical Society. 1934, 56 (10), S. 2200 (doi:10.1021/ja01325a507).
23. ↑ G. Graue, H. Käding: Die technische Gewinnung des Protactiniums. In: Angewandte Chemie. 1934, 47 (37), S. 650–653 (doi:10.1002/ange.19340473706).
24. ↑ A. V. Grosse: Metallic Element 91. In: Journal of the American Chemical Society. 1934, 56 (10), S. 2200–2201 (doi:10.1021/ja01325a508).
25. ↑ Aristid von Grosse: Element 91. In: Science. 1934, 80 (2084), S. 512–516 (doi:10.1126/science.80.2084.512, PMID 17734249).
26. ↑ Aristid V. Grosse: Zur Herstellung von Protactinium. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1935, 68 (2), S. 307–309 (doi:10.1002/cber.19350680218).
27. ↑ David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL, The Elements "Protactinium", S. 4-28 – 4-29.
28. ↑ R. D. Fowler, B. T. Matthias, L. B. Asprey, H. H. Hill, J. D. G. Lindsay, C. E. Olsen, R. W. White: Superconductivity of Protactinium. In: Phys. Rev. Lett. 1965, 15 (22), S. 860–862 (doi:10.1103/PhysRevLett.15.860; bibcode:1965PhRvL..15..860F).
29. ↑ Walter Seifritz: Nukleare Sprengkörper – Bedrohung oder Energieversorgung für die Menschheit. Thiemig-Verlag, 1984, ISBN 3-521-06143-4.
30. ↑ S. Ganesan, Umasankari Kannan, P. D. Krishnani, V. Jagannathan, R. P. Jain, R. Karthikeyan: A Re-calculation of Criticality Property of ²³¹Pa Using New Nuclear Data. In: Current Science. 1999, 77 (5), S. 667–671. (PDF).
31. ↑ J. F. McManus, R. Francois, J.-M. Gherardi, L. D. Keigwin, S. Brown-Leger: Collapse and rapid resumption of Atlantic meridional circulation linked to deglacial climate changes. In: Nature. 2004, 428, S. 834–837 (doi:10.1038/nature02494; PDF).
32. ↑ R. P. Dodge, G. S. Smith, Q. Johnson, R. E. Elson: The Crystal Structure of Protactinium Pentachloride. In: Acta Cryst. 1967, 22, S. 85–89 (doi:10.1107/S0365110X67000155).

• Eintrag zu Protactinium. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 3. Januar 2015.
• Linda Raber: Protactinium, Chemical & Engineering News, 2003
• Peter van der Krogt: Elementymology & Elements Multidict (Protactinium)